Оболочка водно-глицеринового газообразного мрамора (пузырька) остается жидкой и сферической даже через 101 день, а при проколе реагирует как жидкая пленка. Эти рукотворные пузыри можно использовать для создания стабильной пены.
А. Ру и др., 2022 г.
Выдувание мыльных пузырей всегда доставляет удовольствие внутреннему ребенку, возможно, потому, что они по своей природе эфемерны и лопаются всего через несколько минут. Согласно новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Fluids, французским физикам удалось создать «вечные пузыри» из пластиковых частиц, глицерина и воды. Самый длинный пузырь, который они построили, просуществовал целых 465 дней.
Пузыри давно очаровывали физиков. Например, французские физики в 2016 году разработали теоретическую модель точного механизма образования мыльных пузырей, когда струи воздуха попадают на мыльную пленку. Исследователи обнаружили, что пузырьки образуются только при достижении определенной скорости, которая, в свою очередь, зависит от ширины струи воздуха.
В 2018 году мы сообщали о том, как математики из Лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета усовершенствовали метод выдувания идеального пузыря на основе серии экспериментов с тонкими мыльными пленками. Математики пришли к выводу, что лучше всего использовать круглую палочку с периметром 1,5 дюйма (3,8 см) и осторожно дуть с постоянной скоростью 2,7 дюйма в секунду (6,9 см/с). Подуйте на более высоких скоростях, и пузырь лопнет. Если вы используете палочку меньшего или большего размера, произойдет то же самое.
А в 2020 году физики определили, что ключевым ингредиентом для создания гигантских пузырей является смешивание полимеров с разной длиной нитей. Это создает мыльную пленку, способную растягиваться достаточно тонко, чтобы образовать гигантский пузырь, не лопнув. Полимерные нити запутываются, как комок шерсти, образуя более длинные нити, которые не хотят распадаться. В правильном сочетании полимер позволяет мыльной пленке достичь «сладкого места», которое является вязким, но в то же время эластичным — но не настолько эластичным, чтобы оно разрывалось на части. Изменение длины полимерных нитей привело к получению более прочной мыльной пленки.
Ученые также заинтересованы в продлении срока службы пузырей. Пузырьки естественно принимают форму сферы: объем воздуха, заключенный в очень тонкую жидкую оболочку, которая изолирует каждый пузырь в пене от его соседей. Пузыри обязаны своей геометрией явлению поверхностного натяжения, силы, которая возникает из-за молекулярного притяжения. Чем больше площадь поверхности, тем больше энергии требуется для поддержания заданной формы, поэтому пузырьки стремятся принять форму с наименьшей площадью поверхности: сферу.
А. Ру и соавт. 2022
Однако большинство пузырьков лопаются в течение нескольких минут в стандартной атмосфере. Со временем под действием силы тяжести жидкость постепенно стекает вниз, и в то же время жидкий компонент медленно испаряется. По мере уменьшения количества жидкости «стенки» пузырьков становятся очень тонкими, и мелкие пузырьки в пене объединяются в более крупные. Сочетание этих двух эффектов называется «огрублением». Добавление какого-либо поверхностно-активного вещества предотвращает схлопывание пузырьков поверхностным натяжением за счет укрепления тонких стенок жидкой пленки, которые их разделяют. Но в конце концов всегда происходит неизбежное.
В 2017 году французские физики обнаружили, что сферическая оболочка из пластиковых микросфер может хранить сжатый газ в крошечном объеме. Физики назвали объекты «газовыми шариками». Объекты связаны с так называемыми жидкими шариками — каплями жидкости, покрытыми микроскопическими, отталкивающими жидкость шариками, которые могут кататься по твердой поверхности, не разбиваясь на части. Хотя механические свойства газового мрамора были предметом нескольких исследований, никто не проводил экспериментов по изучению долговечности мрамора.
Поэтому Эмерик Ру из Университета Лилля и несколько его коллег решили восполнить этот пробел. Они экспериментировали с тремя различными типами пузырей: стандартными мыльными пузырями, газовыми шариками, сделанными из воды, и газовыми шариками, сделанными из воды и глицерина. Чтобы сделать свои газовые шарики, Ру и другие. рассыпать пластиковые частицы по поверхности водяной бани, которые смешались вместе, образуя зернистый плот. Затем исследователи ввели немного воздуха с помощью шприца чуть ниже плота, чтобы образовались пузырьки, и использовали ложку, чтобы протолкнуть пузырьки над плотом, пока вся поверхность каждого пузыря не была покрыта пластиковыми частицами.
А. Ру и др., 2022 г.
Стандартные мыльные пузыри лопаются примерно через минуту, как и ожидалось. Но Ру и другие. обнаружили, что покрытие из пластиковых частиц значительно нейтрализовало процесс дренажа газовых шариков на водной основе, которые разрушились в промежутке между 6 и 60 минутами. Чтобы еще больше продлить срок службы, исследователям нужно было также нейтрализовать испарение.
Поэтому они добавили в воду глицерин. По мнению авторов, глицерин имеет высокую концентрацию гидроксильных групп, которые, в свою очередь, имеют сильное сродство с молекулами воды, создавая прочные водородные связи. Так глицерин лучше способен поглощать воду из воздуха, тем самым компенсируя испарение. Газовые шарики вода/глицерин прослужили значительно дольше: от пяти недель до 465 дней, что позволило исследователям определить наилучшее соотношение воды и глицерина — идеальный рецепт долгоживущих газовых шариков.
Работа исследователей выходит за рамки пузырей. Они также смогли создать прочные композитные жидкие пленки и превратить их в различные объекты, погрузив металлический каркас под поверхность жидкости, покрытую слоем застрявших пластиковых частиц. Кадр захватывал пленки с покрытием из частиц, когда его медленно поднимали обратно на поверхность. В частности, Ру и другие. смогли построить трехмерную форму пирамиды из жидкой пленки вода/глицерин. Пирамида простояла более 378 дней (и это число продолжает расти).
DOI: Physical Review Fluids, 2022. 10.1103/PhysRevFluids.7.L011601 (О DOI).
Изображение листинга А. Ру и др., 2022 г.
